英讀廊——光速爲什麼是不變的?無論我坐飛機還是躺牀上拿着手電?

很多人都知道在相對論中,光速被假定爲世上最高的速度,大概在真空環境下每秒30萬公里吧,一般的理論上來說沒有任何東西能夠在速度上超越光速(更復雜的情況我們暫不討論)。


然而,相信很多人和我一樣,並沒有注意到,更令人難以理解的是,也就是超出我們知識範圍之外的,與我們學習的一般物理課知識相悖的是:無論是靜止還是移動中,光速仍然是一個不變的數值,也就是說,即使我們坐着飛機甚至是坐在航天飛船上,打開手電,光束的速度仍然是一樣的,而更令人驚奇的是,此時如果有地面上行走的人也打開手電,我們同時觀察這兩束光的速度,理論上速度仍然是一樣的。奇怪吧?……,我也很奇怪。


下面我們先看一句英語:

The faster you go the more time itself slows you down so that the speed of light is able to stay the same.

這句話的意思是說:你走得越快,時間就會變得越慢,這樣光速就可以保持不變。


好了,完成了今天的英語碎片學習後,我們來看看相關的一些解說吧。注意,光速最大即使在相對論中也是一個假設,基於這個假設,才能推導出今天我們的科學體系中的很多主要理論,可是這個假設是否可以證明呢?希望大家慢慢會有答案,畢竟它是解釋我們所存在的這個世界的各種法則的基石。


下面的闡述未必都是真理,只是討論而已。我們也不是追求極度嚴謹的科學家,我們只是生活在這個世上,去了解一些自然法則的心態就好了,從哲學角度去思索也沒什麼問題。

光速不變是經典電磁學可以直接推導得到的結果,事實上整個狹義相對論都是,主要通過麥克斯韋方程組和洛倫茲變換推導而來。如果接受了光速不變這件事情以後,我們只能修改別處的定義了,哪怕再怎麼覺得不合情理。

光速有兩個含義:一是指物質運動的極限速度,是一個不變量,即不隨參考系變換而變化;二是指光在真空、介質中的傳播速度。

應該說,一切帶有“信息”的物質均不能超過光速。物體的質量就是一種信息,根據狹義相對論,越接近光速,物體質量越大,增加物體動能所需的能量約趨於無窮大。而光子和中微子均沒有內稟質量(內稟質量是指一個物體在靜止狀態下的質量),因此可以光速運動。理論上只要不帶有任何信息,就可能存在超過光速的情況,宇宙誕生初期空間的膨脹就有可能超過光速。

麥克斯韋方程組是數學公式,數學公式對於任何座標系都是適用的,而麥克斯韋方程組能導出光速,也就是說光速對於任意個座標系都不變,於是愛因斯坦認爲光速是不變的,這一點很衝擊經典力學的傳統思維。然而實際上,光速不變已經接近於哲學真理,要承認它還是驗證它都還值得思考和研究。

相對論也只是假設光速不變,但無法回答爲什麼不變。用經典物理的思維,無論如何,就無法解釋爲什麼光速不變。相對論其實也是屬於經典物理。

光速不變更嚴格的表述應該爲,真空中的光速不會隨着參考系的選擇而變化,永遠保持常數c,而且也不會隨着光源的移動而變化。

光沒有質量,沒有慣性,不在慣性系中,無論人是怎麼運動的,光的運動都不受到人的任何影響,你可以想象光是靜止的,然後我們整個世界相對光在做高速的物理意義上的運動,也就是說不是光在動,而且我們自己相對光在運動

想象用手來推箱子,箱子是由原子組成的,離手越近的原子得到的力越大,速度也越快,反之則越小、越慢。此時微觀上離手越近的部分質量越大,因爲原子更“緊湊”一些。也就是說,速度越大,質量越大,如果接近光速,那就沒人能推得動了。而光子是不可分的基本粒子,它從發出時就是全面受力,不適用上面說的彈性原理,所以它的速度最快。

最後再看幾句相關的英語,增加這方面的語感吧:

The speed of light is the same speed regardless of how fast your going when you measure it.

光速始終是相同的速度,不管你測量它的時候自己速度有多快。

If you're on Earth or on a spaceship going 90 percent the speed of light and you shine a laser in front of you or your ship its gonna go out the same speed.

如果你在地球上或宇宙飛船上以90%的光速飛行,你在你或你的飛船前面發射一束激光,它們是以同樣的速度射出的。

This sounds wrong because if you throw an object in front of you while your moving surely its speed would be your speed plus it's own speed relative to you, meaning logically the laser from your rocket would be 1.9 the speed of light right?

這聽起來是錯誤的,因爲如果你在移動時把一個物體扔到你面前,它的速度肯定是你的速度加上它自身相對於你的速度,這就意味着從邏輯上說,你的火箭發射的激光的速度是光速的1.9倍,對嗎?

But light doesn't work light that, it can't because it's the universal constant.

但實際上這對光是不適用的,光不遵循這個,因爲它是宇宙常數。

In addition to time slowing the length of the universe also contracts in a proportion relating to the dilated time both of which add up to keeping everything in the universe under 299,792,458 meters per second.

除了時間變慢外,宇宙的長度也在與膨脹時間成比例的收縮,兩者加起來使宇宙中的一切保持在每秒299792458米以下。


自己體會吧,每秒299792458米即光在真空中的理論速度。

To solve the paradox, time must be relative!

要解決這個悖論,時間必須是相對的!

Time inside the ship appears to be slowed down to the person on the ground, and conversely everyone outside the ship looks like they're running around like ants to the people inside.

對於地面上的人來說,船內的時間似乎變慢了,相反地,對於船內的人來說,船外的每個人都像螞蟻一樣四處奔跑。

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